Pastizales naturales y cultivos energéticos: biomasa lignocelulósica para producir bioetanol

La sostenibilidad de los biocombustibles producidos en competencia con algunos cultivos suele cuestionarse por entrar en conflicto con el suministro de alimentos. La biomasa lignocelulósica ofrece una alternativa para evitar esta disputa.

Por: Permingeat, H.

En la actualidad, los combustibles fósiles representan casi el 80% de la energía primaria consumida en el mundo y de la cual solo el 58% es consumida por el sector del transporte. A medida que aumenta la demanda mundial de este tipo de combustibles y disminuye su suministro, existe la necesidad de buscar alternativas que sean renovables y sostenibles. Los biocombustibles tienen el potencial de reemplazar a los combustibles fósiles tradicionales y se han convertido en una de las fuentes de mayor importancia estratégica. Asimismo, resultan claves en nuestro progreso hacia la limitación de las emisiones de gases de efecto invernadero, la mejora de la salud ambiental y la búsqueda de nuevos recursos energéticos (Raud y col., 2019).

Las tecnologías para producir etanol a partir de materias primas a base de azúcar y almidón, y biodiesel a partir de aceites vegetales y otras materias primas lipídicas, están bien establecidas. Sin embargo, la sostenibilidad de los biocombustibles producidos en competencia con los cultivos alimenticios es cuestionable debido al conflicto con el suministro de alimentos. En este sentido, la biomasa lignocelulósica ofrece una alternativa que evita ese conflicto.

Se puede utilizar una amplia gama de materias primas de biomasa lignocelulósica como fuentes de bioenergía: residuos y coproductos de la industria agrícola y maderera, cultivos destinados a la producción de energía, cultivos alimentarios (maíz, trigo, azúcar y otras materias primas) y no alimentarios (como plantas lignocelulósicas perennes, por ejemplo, gramíneas como Miscanthus, juncos y árboles, y plantas oleaginosas).

Los residuos agrícolas incluyen rastrojos y bagazo de caña de azúcar, mientras que los cultivos energéticos dedicados se cultivan y recolectan a propósito como biomasa para uso energético. Estos últimos tienen un bajo requisito de insumos, alto rendimiento de biomasa, alto contenido en celulosa, son fáciles de cultivar y generalmente son tolerantes a altas temperaturas, sequía, inundaciones y estrés salino. Además, este tipo de biomasa se puede producir con menos tierra de cultivo, ya que toda la planta se puede utilizar como materia prima. Además, los residuos del procesamiento de la madera, los forestales, industriales y urbanos verdes también se pueden utilizar como materias primas lignocelulósicas (Raud y col., 2019).

En el caso de los cultivos energéticos, hay que considerar la optimización del rendimiento de la biomasa, que requiere la optimización de los sistemas de cultivo hacia su sostenibilidad general y hacia el logro de los objetivos de desarrollo sostenible. Los cultivos intercalados, por ejemplo, son una alternativa para aumentar la producción de biomasa y la retención de nutrientes del suelo, como también para mitigar la erosión del suelo. Estos pueden reducir la necesidad de fertilizantes nitrogenados cuando se emplean leguminosas fijadoras de nitrógeno (Jablonowski and Schrey, 2021).

Los cultivos intercalados son una alternativa para aumentar la producción de biomasa y la retención de nutrientes del suelo, como también para mitigar la erosión del suelo.

El Miscanthus es uno de los cultivos energéticos más estudiados. Como especie perenne, generalmente vive entre 18 y 20 años, incluso hasta 25 años. La altura de las plantas de Miscanthus varía de 1 a 7 metros, según la especie y las condiciones de crecimiento. La eficiencia fotosintética es muy alta, incluso a bajas temperaturas, con tasas de aprovechamiento de la radiación 10 veces mayor que la de los cultivos agrícolas comunes. La eficiencia en el uso del agua también es significativamente más alta en comparación con otros cultivos. Con raíces bien desarrolladas y rizomas subterráneos, tiene la capacidad de absorber nitrógeno y agua del suelo profundo.

Está documentado que el Miscanthus puede mantener un crecimiento normal en suelos pobres con poca disponibilidad de fertilización con nitrógeno, fósforo y potasio. Además, el Miscanthus exhibe una tolerancia prominente a la sequía, al calor, al frío, al estrés salino y alcalino, y una amplia resistencia a una variedad de enfermedades e insectos. Debido a su excelente adaptabilidad ecológica, se distribuye ampliamente en varios tipos de suelos en regiones tropicales, subtropicales y templadas. Como cultivo energético, el desarrollo de cultivares de Miscanthus con una amplia adaptabilidad ambiental puede producir un mayor rendimiento de biomasa con composiciones óptimas de lignocelulosa (Wang y col., 2021).

El pasto varilla (Panicum virgatum) es un cultivo energético prometedor y un componente importante de las praderas de pastos altos de América del Norte. Históricamente, las praderas de pastos altos fueron uno de los biomas templados más grandes del mundo y siguen siendo importantes sumideros de carbono atmosférico. La producción de biomasa es el principal objetivo de reproducción de esta especie como cultivo forrajero y bioenergético.

Desde que el Departamento de Energía de Estados Unidos considera a esta especie como materia prima de biocombustible herbáceo modelo, los ensayos de rendimiento de biomasa demostraron la viabilidad económica de la producción de bioenergía, y se desarrollaron cultivares que superan sustancialmente al maíz y otras materias primas celulósicas. Sin embargo, los cultivares individuales tienden a ser productivos solo en un nicho climático estrecho. Por lo tanto, para maximizar las ganancias, la biotecnología y el fitomejoramiento están enfocados en el desarrollo de coincidencias entre el clima y el genotipo a través de la identificación de la base genómica de la acumulación de biomasa y la adaptación climática en los paneles de reproducción. Esto reforzará los rendimientos futuros y cementará al Panicum virgatum como un producto bioenergético sostenible en términos económicos y medioambientales (Lovell y col., 2021).

Arundo donax L., también conocida como caña gigante, es una hierba perenne perteneciente a la familia gramíneas. Similar al Miscanthus, esta especie presenta ventajas como materia prima para la producción de etanol: alta producción de biomasa, rápido crecimiento, bajo insumo agronómico, bajos costos de producción y la capacidad de crecer en diferentes tipos de ambientes (Lemões y col., 2018).

Actualmente, persiste la controversia sobre el uso de biomasa lignocelulósica para producir biocombustibles por diversos motivos. Entre los más resonantes, se menciona que la recolección de rastrojos como materia prima compite con su uso como recurso forrajero y provoca la pérdida de materia orgánica del suelo; la energía utilizada para el cultivo de cultivos energéticos puede no ser necesariamente compensada por la energía liberada posteriormente, lo que resulta en un balance energético deficiente; y los métodos de producción de biocombustibles que implican un cambio en el uso del suelo también impactan en la biodiversidad a través de la modificación del paisaje y la consecuente pérdida de la estructura y funciones del ecosistema. Estos problemas podrían evitarse utilizando pastos perennes naturales, ya que el impacto ambiental podría reducirse en la etapa de obtención de materia prima ya que no se requiere siembra, y no habría cambios en el uso del suelo, según afirman Sosa y col. (2019).

Históricamente, las praderas de pastos altos fueron uno de los biomas templados más grandes del mundo y siguen siendo importantes sumideros de carbono atmosférico.

Estos autores centran su análisis en el territorio argentino y sostienen que aproximadamente el 75% de los 280 millones de hectáreas están cubiertas por pastizales con vegetación de la más variada fisonomía. La mayor parte de esta área registró notables modificaciones en su vegetación debido a la labranza del suelo para la siembra de cultivos o forrajes desde la época de la colonización europea.

Hierbas perennes con metabolismo fotosintético C4, como Spartina argentinensis, Elionurus muticus, Sorghastrum setosum, Paspalum quadrifarium, Panicum prionitis, Leptochloa chloridiformis, Bothriochloa laguroides, Eragrostis lugens y Setaria parviflora son las especies dominantes de los extensos pastizales de las llanuras chaco-pampeanas. La mayoría de estos pastizales tienen poca o ninguna actividad económica aparte de la ganadería extensiva y, en consecuencia, una baja densidad de población debido a su suelo y características topográficas, como alta salinidad del suelo, drenaje impedido e inundaciones y sequías recurrentes que limitan la agricultura y la producción ganadera.

Estos entornos son altamente vulnerables a las actividades humanas y requieren estrategias de gestión diferenciadas adecuadas. La práctica más común de manejo del ganado consiste en quemar los pastizales para estimular el rebrote, porque las hojas recién brotadas tienen mejor calidad de forraje. Sin embargo, esta práctica suele originar incendios forestales que provocan problemas ambientales y sociales.

Algunas investigaciones afirman que la biomasa quemada por los incendios forestales en Argentina sería suficiente para satisfacer la demanda eléctrica del país. Por ejemplo, el área de los Bajos Submeridionales es una unidad de vegetación que ocupa alrededor de 30.000 km² en el extremo sur de la provincia de Chaco, con un fuerte predominio de Spartina argentinensis. Esta gramínea C4 de estación cálida presenta rizomas muy lignificados y alcanza un diámetro basal y una altura de 1 metro, tiene altas tasas fotosintéticas que son incluso más altas en plantas que continúan creciendo después del fuego o del corte, y que estas tasas se ven levemente afectadas por el estrés hídrico, determinando tasas de expansión foliar y reclutamiento de macollos más altas que en las plantas control.

Otra especie C4 perenne de alto rendimiento es Panicum prionitis, que se encuentra en la llanura aluvial y las islas del río Paraná. Esta especie tiene rizomas cortos, crece hasta 2 metros de altura y presenta un diámetro basal que puede alcanzar más de 50 cm. En este caso, se observó que el fuego experimental o la siega (dejando la biomasa cortada in situ) aumenta la diversidad y la riqueza de la comunidad, quedando Panicum prionitis como la especie dominante de la comunidad.

Ambas especies de pastizales naturales son manejadas con incendios prescritos por ganaderos, generalmente cada 3-4 años, lo que libera grandes cantidades de CO2 a la atmósfera sin ganancia de energía. Sosa y col. (2019) buscaron determinar el potencial del uso de materia prima de Spartina argentinensis y Panicum prionitis para la producción de bioetanol, evaluando dos aspectos de la sostenibilidad ambiental de dicha propuesta: el contenido de carbono orgánico del suelo y la biodiversidad medida en dos taxones: plantas con flores y artrópodos epigeos del suelo. Los resultados muestran que los rendimientos de bioetanol a partir de la biomasa acumulada de estas especies serían similares a los rendimientos de bioetanol derivados de cultivos energéticos, y que la producción de bioetanol de segunda generación utilizando esta biomasa sería ambientalmente sustentable para las variables analizadas: contenido de carbono orgánico del suelo y biodiversidad.

Tanto los cultivos energéticos como los pastizales naturales ofrecen una interesante biomasa para la producción de bioetanol lignocelulósico, como una forma de energía limpia y respetuosa con el medioambiente. Sin embargo, en ambos casos, todavía hay que superar una barrera estructural para viabilizar esta producción que consiste en el polímero de lignina que limita la accesibilidad a los polisacáridos de celulosa y hemicelulosa por enzimas hidrolíticas, para conducir a la fermentación que finalmente termina en etanol. Para degradar la lignina y dar acceso a los azúcares fermentables, se evaluaron diferentes “pretratamientos”. Muchos de ellos, si se llevan a cabo a escala industrial, generarían impactos ambientales negativos.

Los pretratamientos que someten la biomasa a altas temperaturas son muy demandantes de energía y afectan negativamente al balance energético global. Por lo tanto, algunos autores afirman que los pretratamientos biológicos, como las enzimas que degradan la lignina, o los extractos de hongos que producen naturalmente tales enzimas, podrían ser un método eficaz y respetuoso con el medioambiente para superar la barrera de la lignina para el bioetanol de segunda generación con bajos requisitos energéticos.

Existen publicaciones recientes con revisiones de análisis tecno-económicos sobre la producción de enzimas degradantes de la lignocelulosa, comparaciones de costos de producción de dichas enzimas y su composición en términos de las materias primas a degradar (Ferreira y col., 2021). También se desarrollaron estudios de eficiencia de los tratamientos biológicos a escala de laboratorio en los procesos de degradación de lignina para ambas especies locales: Spartina argentinensis (Larran y col., 2015) y Panicum prionitis (Gauna y col., 2018). Los resultados muestran que pre tratamientos cortos con secretomos fúngicos de Pycnoporus sanguineus y Ganoderma applanatum mejoran la liberación de azúcares fermentables en comparación con los pretratamientos químicos convencionales. Estos resultados refuerzan la viabilidad de utilizar biomasa de pastizales naturales en un proceso de producción de bioetanol poco contaminante.

En conclusión, el uso de los pastizales como biomasa para la producción de bioetanol (además de la ganadería extensiva), ofrece ventajas ambientales derivadas de reemplazar la quema por el corte en busca del rebrote tierno como forraje:

Disminuye la cantidad de dióxido de carbono que se emite a la atmósfera.

Aumenta la materia orgánica en los suelos con su consecuente mejora.

Al mismo tiempo, se suman ventajas sociales a razón de generar una nueva actividad económica-productiva en estas tierras, evitando el éxodo de las poblaciones rurales, todo en un marco de sustentabilidad agrícola-ambiental.

REFERENCIAS

• Ferreira RG, Azzoni AR, Freitas S. On the production cost of lignocellulose-degrading enzymes. Biofuels. Bioprod. Bioref ., 15: 85- 99- 2021.

• Gauna A, Larran AS, Perotti VE, Feldman SR, and Permingeat HR. Fungal pretreatments improve the efficiency of saccharification of Panicum prionitis Ness biomass. Biofuels, 1-7. 2018.

• Jablonowski ND and Schrey SD. Bioenergy Crops: Current Status and Future Prospects. Agronomy 11(2), 316-1-316-4. 2021.

• Larran A, Jozami E, Vicario L, Feldman SR, Podestá FE, and Permingeat HR. Evaluation of biological pretreatments to increase the efficiency of the saccharification process using Spartina argentinensis as a biomass resource. Bioresource Technology 194, 320-325. 2015.

• Lemões JS, Lemons e Silva CF, Peres Farias Avila S, Scherrer Montero CR, dos Anjos e Silva SD, Samios D, and Ruaro Peralba MC. Chemical pretreatment of Arundo donax L. for second-generation ethanol production. Electronic Journal of Biotechnology 31, 67-74. 2018.

• Lovell JT, MacQueen AH, …, Schmutz J. Genomic mechanisms of climate adaptation in polyploid bioenergy switchgrass. Nature, 590: 438-444. 2021.

• Raud M, Kikas T, Sippula O, and Shurpali NJ. Potentials and challenges in lignocellulosic biofuel production technology. Renewable and Sustainable Energy Reviews 111(1), 44-56. 2019.

• Sosa LL, Jozami E, Oakley LJ, Montero GA, Ferreras LA, Venturi G, and Feldman SR. Using C4 perennial rangeland grasses for bioenergy. Biomass and Bioenergy 128(1), 105299-1-105299-9. 2019.

• Wang C, Kong Y, Hu R, Zhou G. Miscanthus: A fast-growing crop for environmental remediation and biofuel production. GCB Bioenergy 13:58–69. 2021.